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牛顿棺材板压不住时,请祭出此物防身!

小虾 中科院物理所 2019-04-02

本文首发于公众号“费米科学”(fermi_science),转载请联系原作者。



刚过去不久的情人节、元宵节

想必大家都过得甜甜蜜蜜



说起甜蜜

给大家讲一个甜蜜而又悲惨的故事:



波士顿糖蜜洪灾


在100年前的波士顿,一个15米高,储存着12000吨糖蜜的建筑物崩塌,涌出的糖蜜形成8米高的巨浪,以56km/h的速度席卷了附近的街区,造成21人死亡,150人受伤……


○ 波士顿糖蜜洪灾现场,来自维基百科。


糖蜜是工业制糖的副产品,是一种黑褐色,高黏度的液体,主要成分依然是糖。可用于发酵制酒精,也可食用。


 糖蜜,来自Organic Facts。


糖蜜本身的黏度非常高,是水的10000倍。在水里移动已经挺费劲的了,如果被那场灾难中齐腰深的糖蜜困住,那就是妥妥的动弹不得。

波士顿邮报报道:一群马像粘蝇板上的苍蝇一样死去。越挣扎就陷得越深。人们也是一样。

可是这么黏稠的液体按理来说应该很慢地向四周扩散才对,怎么会达到56km/h的速度,还形成巨浪呢?

糖蜜这么

因为它是一种

也就是说,糖蜜的黏度与所受的力有关,受力越大,它的黏度反而越小。

储存罐刚刚破裂时,在重力的作用下,糖蜜的黏度变小,像洪水一样倾泻出来,摧毁房屋、桥梁,把人卷走、拍扁。


 被糖蜜冲毁的高架铁路,来自维基百科。


但是随着糖蜜扩散开来,流速减缓,黏度回升,就会把人困住。不但很难开展救援,而且灾难现场极难清理,据说在几十年以后的夏天,还能闻到糖蜜的味道。

仔细一想

这个糖蜜

洒得远、粘得死、难清理

可真适合摧毁城市啊



非牛顿流体大家族里还有很多更奇葩的成员,砸椰子防弹都不在话下。

但是,在一睹其风采之前,我们还是先详细了解一下什么是非牛顿流体。



什么是流体


能任意改变形状,能流动的就是流体,比如气体和液体。

一个海洋球不是流体,但成千上万的海洋球装在池子里也可以看作流体。

猫可以任意改变形状,填满容器,有时也可看作流体。



那么,什么是流动呢?

小心翼翼地把一杯水端起来,放在传送带上,缓慢地传送到电梯里,搭电梯平稳地上到6楼,水杯始终没有晃动或旋转。

在这个过程中,这杯水发生了运动,但并没有流动。流动一定伴随着流体内部的相对运动

流动分为两种:拉伸流动和剪切流动。


 拉伸流动,小虾手绘。


用小棒或小勺蘸一些蜂蜜,再拎出来,可以看到蜂蜜向下流动。越往下,蜂蜜变得越细,但是流速也越快。

这种在流动方向上有流速改变的流动,就是拉伸流动


 剪切流动,小虾手绘。


假设在一个巨大池塘的某一部分,风吹动池水的表面,向右匀速运动。

在这种情况下,池水并不是以相同的速度整体向右运动,而是从水面到水底,水流的速度均匀减小,直到池底减为0。

水的流动方向是向右的,但流速沿高度方向(与流动方向垂直)改变,这就是剪切流动

流体的流动都是由拉伸流动和剪切流动组合而成的。



牛顿黏性实验


牛顿在1687年做了一个实验:

其实就是用两块平行的木板,代替了上面提到的静止的池底,和驱动池水运动的风,在中间的水层中产生剪切流动。

牛顿假设,与木板相邻的水层,会紧紧贴着木板运动或静止,速度与木板相等。这一假设得到了实验的证实。


牛顿黏性实验,图片来自Chegg Study。


由于流体有一定的黏性,或者说,流体内部有摩擦力,因此,拉动上层木板保持匀速运动需要一定的作用力。

牛顿发现,对于水来说,拉动木板的力木板的运动速度成正比,所以水是牛顿流体

而这个比值(排除水层的厚度和面积的影响之后),就反映了流体本身的性质

让木板保持同样的运动速度,需要施加的作用力越大,液体的黏度就越大,代表液体越粘稠。



非牛顿流体


但是,牛顿没发现,有那么一小撮奇葩液体,它们的黏度不是定值,这就是非牛顿流体

有可能你越用力拉木板,中间的液体就变得越稀,这种非牛顿流体具有“剪切变稀”的特性,说白了就是“逆来顺受”

之前提到的糖蜜就属于这一类。

此外,各种指甲油、油漆都具有剪切变稀特性,以便于涂得更匀、粘得更牢,在凝固之前不易滴落。

奶油、番茄酱也是,难道它们也是故意方便我们涂抹的吗?



反之,就是“剪切增稠”,或者叫“遇强则强”

这类非牛顿流体的代表就是能防弹的玉米淀粉糊,和能砸开椰子的口香糖了。



遇强则强



首先登场的是玉米淀粉糊(Oobleck),制作方法是玉米淀粉和水,以体积比2:1混合均匀。


 水和玉米淀粉糊的黏度对比。可以看出,玉米淀粉糊更粘稠一些,但也是流体。图片来自 me3340。


如果用拳头砸,会怎样呢?会不会拳头陷进去,但砸不到底呢?


○ 用拳头砸水和玉米淀粉糊,水溅起水花,玉米淀粉糊纹丝未动。图片来自 me3340。


用仿真枪打呢?


○ 用装载BB弹的仿真枪打水和玉米淀粉糊,盛水的容器被击穿,而玉米淀粉糊只是被打出一个小坑。图片来自 me3340。


这怕不是一块铁?

但其实只要足够轻柔,玉米淀粉糊也不会为难你,实属吃软不吃硬的典范。


○ 用手抓取并揉捏加了色素的玉米淀粉糊,用力抓和揉的时候,它是硬的,但一旦放松,就变稀了。图片来自歪果仁集中营。


接下来是另一个好吃又好玩的家庭实验:口香糖砸椰子,由小虾亲自演示。


首先取出口香糖,不要嚼,直接卷起来,捏成一个整体,捏成圆锥。如果椰子皮较厚,3块以上口香糖为宜。


捏好之后,将锥形口香糖尖朝上摆放好。

一定要找到椰子硬壳外面的软皮最薄的地方,对准口香糖往下砸。如果软皮实在太厚,不妨先用刀片下去一点。


下砸一定要果断。可以看到,口香糖几乎完好无损,而椰子被砸出一个大洞,可倒出椰汁。

当然,最后一步是插上吸管,把椰子喝掉啦!


补充一点:捏口香糖需要一定的耐心。

捏的时候我不禁吐槽:口香糖之所以能砸椰子,是因为它本身够硬……

的确,口香糖在受力很小的时候能够维持形状不变,不是严格意义上的流体。

但口香糖毕竟还能捏动,椰子你捏一个试试……

所以,但凡口香糖能砸碎椰子,就不要怀疑口香糖遇强则强的性质。

明年元宵节

大家可以试试

在吃元宵、猜灯谜之余

用口香糖砸砸椰子

……

也是团团圆圆

岁岁(碎碎)平安


来源:费米科学

编辑:Major Tom


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